Đề tài tìm HIỂU THÉP KHÔNG gỉ và ỨNG DỤNG của THÉP KHÔNG gỉ TRÊN ôtô

Hàng năm, nước ta phải nhập khẩu một lượng lớn thép này, do đó có thể nói, đây là một vật liệu có tầm quan trọng không hề nhỏ đối với lĩnh vực kỹ thuật của nước nhà.Vì vậy, chúng em chọn

TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT

LÝ TỰ TRỌNG KHOA ĐỘNG LỰC LỚP 13CĐ-Ô4

‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐

ĐỀ TÀI

TÌM HIỂU THÉP KHÔNG GỈ VÀ ỨNG DỤNG CỦA THÉP KHÔNG GỈ

TRÊN ÔTÔ

Sv thực hiện: Nguyễn Minh Tuyền

Trịnh Văn Tiến

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 1 tháng 12 năm 2014

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, sự phát triển của tất cả các ngành kỹ thuật chế tạo như Luyện kim, Cơ khí, Xây dựng, Công nghiệp Hóa học, Kỹ thuật Điện và Điện tử, Giao thông vận tải, v.v… đều gắn liền với vật liệu.Một trong số những vật liệu không thể thiếu, đó là vật liệu thép với tính năng ngày càng đa dạng và chất lượng cao Phát triển vật liệu thép đã trở thành một trong những hướng mũi nhọn của công nghiệp cả nước

Riêng vật liệu thép cũng được chia thành nhiều loại khác nhau, một trong số

đó là Thép không gỉ Hàng năm, nước ta phải nhập khẩu một lượng lớn thép này,

do đó có thể nói, đây là một vật liệu có tầm quan trọng không hề nhỏ đối với lĩnh vực kỹ thuật của nước nhà.Vì vậy, chúng em chọn đề tài : Thép không gỉ và các ứng dụng của thép không gỉ trên ô tô, cụ thể là khái niệm, lịch sử hình thành, các đặc tính chung, và tình hình sử dụng thép không gỉ ở Việt Nam và các nước trên thế giới, sự ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim và các tạp chất khác đối với thép, và một số vấn đề khác

NHẬN XÉT

Mục lục

Trang

A TỔNG QUAN VỀ THÉP KHÔNG GỈ? 1

I Khái quát

1 Khái niệm

2 Lịch sử hình thành.

3 Đặc tính của thép không gỉ 2

4 Tình hình thép không gỉ trên thế giới và ở Việt Nam

a) Tình hình thép không gỉ trên thế giới.

b) Tình hình thép không gỉ ở Việt Nam 3

II Cơ sở lý thuyết 4

1 Các cách phân loại thép không gỉ.

2 Các mác thép phân loại dựa trên cấu trúc tinh thể kim loại.

a Thép Austenit bc) 5

b Thép không gỉ Ferit bα).).

1 Thép Mactenxit.

c Thép không gỉ 2 pha.

III Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim và tạp chất 6

1 Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim.

a) Ảnh hưởng của hàm lượng Cacbon.

b) Ảnh hưởng của Mangan.

c) Ảnh hưởng của Crom 7 d) Ảnh hưởng của Niken.

e) Ảnh hưởng của Molipden.

2 Ảnh hưởng của tạp chất 8 a) Ảnh hưởng của PhốtPho.

b) Ảnh hưởng của Lưu huỳnh.

c) Ảnh hưởng của Nitơ

B ỨNG DỤNG CỦA THÉP KHÔNG GỈ TRÊN Ô TÔ 9

I Ứng dụng làm hệ thống xả thải.

1 Xupap xả

2 Cổ góp cửa xả 11

3 Bộ chuyển đổi xúc tác.

4 Ống Pô 12

II Ứng dụng làm thân xe và bulông lắp ráp.

1 Thân xe ô tô

2 Bulông, đai ốc động cơ 13

A TỔNG QUAN VỀ THÉP KHÔNG GỈ?

I Khái quát

1 Khái niệm

Thép không gỉ là loại thép không bị gỉ trong không khí và có tính chống ăn mòn cao trong các môi trường ăn mòn mạnh như axit hoặc bị ăn mòn nhưng rất chậm Thép không gỉ là một dạng hợp kim sắt có chứa tối thiểu 10.5% Crom, không bị biến màu hay bị ăn mòn dễ dàng như các loại thép thông thường khác

2 Lịch sử hình thành.

Thép không gỉ gắn liền với tên tuổi của một chuyên gia ngành thép người anh là ông Harry Brearley Năm 1913, ông đã sang chế ra một loại thép đặc biệt có khả năng chịu mài mòn cao bằng cách giảm lượng Cacbon xuống và cho Crom vào trong thành phần thép ( 0.24% C và 12.8% Cr )

Sau đó, hãng thép Krupp ở Đức tiếp tục cải tiến loại thép này bằng cách cho thêm nguyên tố Niken vào thép để tang khả năng chống ăn mòn bởi axit và làm mềm hơn để dễ gia công

Những năm 20 của thế kỉ XX, một chuyên gia ngành thép người Anh là ông W.Hatfield tiếp tục nghiên cứu và phát triển về thép không gỉ, bằng cách kết hợp tỉ

lệ khác nhau giữa Niken và Crom trong thành phần thép, ông đã cho ra đời một loại thép không gỉ mới 18/8 với tỉ lệ 8% Ni và 18% Cr, chính là mác thép 304 quen thuộc ngày nay Ông cũng là người phát minh ra loại thép 321 bằng cách cho thêm thành phần titan vào thép có tỉ lệ 18/8 nói trên

Trải qua gần một thế kỷ ra đời và phát triển, ngày nay thép không gỉ đã được dùng rộng rãi trong mọi lĩnh vực dân dụng và công nghiệp với hơn 100 mác thép khác nhau

3 Đặc tính của thép không gỉ.

- Đặc tính nổi bật nhất của thép không gỉ là khả năng chống gỉ Ngày nay, người ta đã chế tạo thép không gỉ có khả năng làm việc trong điều kiện môi trường xâm thực mạnh như axit, kiềm, phóng xạ điều này bên cạnh ý nghĩa kĩ thuật còn mang ý nghĩa kinh tế rất lớn

-Có khả năng làm việc ở nhiệt độ cao

-Có các tính chất cơ học (độ bền, độ dẻo) và công nghệ (tính hàn, tính dẻo, khả năng dập sâu, tính gia công tốt)

-Độ bền nóng cao

-Độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp tốt

-Có tính vệ sinh cao (dễ làm sạch)

-Ngoại hình thẩm mỹ cao (sáng, bóng)

-Phản ứng từ kém hơn (chỉ với thép austenit)

-Nhu cầu dùng lại lớn

4 Tình hình thép không gỉ trên thế giới và ở Việt Nam

a) Tình hình thép không gỉ trên thế giới.

Sự phát triển không ngừng của công nghệ hiện đại đòi hỏi vật liệu kim loại phải

có những tính năng đặc biệt như tính bền nhiệt, khả năng chống ăn mòn chống lại

sự oxy hóa trong các môi trường làm việc, dễ biến dạng, không từ tính…nên sản lượng thép không gỉ không ngừng tang cao

Qua sử dụng, người ta nhận thấy thép không gỉ austenite hệ Fe-Cr-Ni có tính chống mài mòn, chịu tải trọng chưa cao Do đó, trong thời gian gần đây, người ta đặc biệt quan tâm đến thép không gỉ hệ Fe-Cr-Mn Do thay Niken bằng Mangan là nguyên tố rẻ tiền nên thép này có giá thành thấp hơn nhưng ưu điểm không thua kém thép hệ Fe-Cr-Ni, ngược lại, việc đưa Nito vào thép này rất thuận lợi đã góp phần nâng cao chất lượng thép

Năm Sản lượng ( triệu

tấn)

1914 0.001

1995 14

2000 17.8

2004 24

2008 27

2011 32

2013 36

2014 41.5 (ước tính) Bảng 1: Tổng sản lượng thép không gỉ thế giới qua các năm

b) Tình hình thép không gỉ ở Việt Nam

Ở việt nam chưa có cơ sở sản xuất kinh doanh nào san xuất các mác thép không

gỉ chất lượng cao, mà chủ yếu chỉ sản xuất theo đơn đặt hàng dùng trong sữa chữa

và thay thế Một vài đơn vị đã nghiên cứu và sản xuất được một số các mép khong

gỉ như: viện luyện kim đen, viện công nghệ, cơ khí Hà Nội, cơ khí Đông Anh, tuy nhiên chỉ là sản xuất rời rạc, hạn chế về số lượng và không ồn định về chất lượng Vì vậy, hàng năm chúng ta phải nhập hàng ngàn tấm thép không gỉ ( khoảng 10.000 tấn/năm ), điều này không chỉ tiêu tốn ngoại tệ mà còn ảnh hưởng đến sự chủ động nguồn vật liệu của các ngành công nghiệp

Hình 1: Kho nhập thép không gỉ

II Cơ sở lý thuyết

1 Các cách phân loại thép không gỉ.

Có nhiều cách khác nhau để phân loại thép không gỉ:

+ Theo cấu trúc tinh thể kim loại có 4 loại thép: austenite, ferit, mactenxit, thép không gỉ 2 pha

+ Theo cách đánh số của viện săt thép Hoa Kỳ (AISI) có các mác thép: 200,

300, 400, 500, 600

+Theo hệ thống đánh số thống nhất do hiệp hội kiểm định vật liệu Hoa Kỳ (ASTM) và hội các kỹ sư chế tạo máy Hoa Kỳ (SAE) áp dụng cho tấc cả các kim loại và hợp kim: Bắt đầu bằng chữ S và tiếp theo là 5 chữ số, từ S00001 – S99999 + Theo ứng dụng có: thép không gỉ, thép chịu nhiệt cao, thép chịu axit

+ Theo cấu trúc nguyên tố hợp kim: thép Cr, thép Ni, thép Mn, thép Cr-Ni-Mn, thép Cr-Mo

2 Các mác thép phân loại dựa trên cấu trúc tinh thể kim loại.

a Thép Austenit bc).

Pha γ không tồn tại hoặc chỉ tồn tại ở nhiệt độ cao Nếu cho Ni- nguyên tố mở rộng vùng γ với lượng thích hợp sẽ làm cho thép có tổ chức γ ngay cả ở nhiệt độ thường Loại thép này chứa tối thiểu 7% Ni, 16% Cr, 0.08% C

* Ưu điểm của thép Austenit:

-Tính chống ăn mòn cao, chúng hoàn toàn ổn định trong nước song, nước biển, trong hơi nước bão hòa và quá nhiệt trong các dung dịch nước muối Trong axit chúng có tác dụng chống ăn mòn tốt: HNO3 đặc nóng, H2SO4 nguội, HCl loãng nguội Chúng được dung nhiều trong công nghiệp sản xuất axit, công nghiệp hóa dầu và thực phẩm Chi tiết chịu nhiệt từ 900 – 1000oC

-Tính dẻo cao (δ = 45 ÷ 60%): Dễ cán, dập, gò, nguội để tạo hình sản phẩm

b Thép không gỉ Ferit bα).).

Nhóm thép chứa 13% Cr, <0.08% C, 0.2% Al sẽ mở rộng vùng α và ngăn chặn

mở rộng thành γ khi nung và tạo tính hàn tốt, loại thép này được dung nhiều trong ngành dầu mỏ

Nhóm thép chứa tới 17% Cr như mác 12Cr17 là mac thép không gỉ được dùng nhiều nhất vì nó có thể thay thế thép không gỉ austenite ở điều kiện sử dụng cho phép, lại không chưa Ni nên giá thành rẻ hơn nhiều Được dung nhiều trong công

nghiệp sản xuất HNO3, hóa thục phẩm, kiến trúc.Nhược điểm của mac thép này là tính hàn kém khi nhiệt độ >850oC, vùng gần mối hàn trở nên dòn và là nơi xảy ra

ăn mòn theo biên giới hạt, nhưng có thể khắc phục hiện tượng này bằng cách giảm hàm lượng Cacbon xuống và cho thêm 0.8% Ti vào thép như mac 08Cr17Ti

Nhóm thép chưa 20 – 30% Cr như mac 15Cr25Ti, do hàm lượng Cr cao nên thép có tính chống Oxy hóa cao

Nói chung, thép không gỉ α có giới hạn đàn hồi cao hơn γ nhưng mức độ hóa bền do bão hòa lại thấp hơn Độ bền chống ăn mòn phụ thuộc vào Cr, để hạn chế

ăn mòn điểm phải tang hàm lượng Cr > 20% và cho thêm 2% Mo

1 Thép Mactenxit.

Lượng Cr thông thường trong thép này là 12 – 17%, nếu lượng Cr < 13.5% thì hàm lượng C ≤ 0.4% để tránh tạo nhiều Cacbit Crom dẫn đến nghèo Crom ở kim loại nền và giảm khả năng chống gỉ

Đối với loại thép có hàm lượng Cr > 14% thì hàm lượng C có thể lên đến 1%, người ta có thể thêm nhiều nguyên tố khác như Ni, Mo, Si, Ti, V, Nb,… để mở rộng khả năng ứng dụng của loại thép này

Thép không gỉ mactenxit có tính chống ăn mòn cao nhuwng trong không khí, nước song, nước máy…Do hiệu ứng thụ động hóa của Crom nên không bị ăn mòn trong HNO3 nhưng lại bị ăn mòn trong các axit khác

Nhờ chuyển biến mactenxit mà thép không gỉ loại này có khả năng tăng bền, đồng thời nhờ có hạt tinh thể nhỏ mịn mà nhiệt độ chuyển biến giòn giảm đi

Theo lý thuyết, để đạt được tổ chức mactenxit, khi tăng hàm lượng Cacbon nhất thiết phải tăng hàm lượng Crom, việc này làm tăng độ cứng và giảm độ dẻo của thép Khuynh hướng mới đối với thép không gỉ loại mactenxit là giảm lượng Cacbon để tạp ra loại thép mactenxit mềm

Thép mactenxit được dung nhiều để sản cuất bulong, ốc vít, lò xo, dụng cụ đo, chi tiết chịu nhiệt <450oC

c Thép không gỉ 2 pha.

Thép không gỉ 2 pha được nghiên cứu kỹ và sử dụng phổ biến nhất là thép austenite – ferit, loại thép này kết hợp tính ưu việt của 2 loại thép thành phần, đồng thời hạn chế được nhược điểm của nó

Xu hướng hiện nay là người ta giảm hàm lượng C và Ni, tăng hàm lượng Nito (0.12 – 0.25%) Thép không gỉ song pha thế hệ mơi được hợp kim hóa Nito để đảm bảo cấu trúc cũng như tính chống gỉ cao Ban đầu, thép không gỉ song pha chỉ được dung ở trạng thái đúc, nhưng sau đó chúng được cán thành thanh, ống, tấm

Sự kết hợp giữa tính chất cơ học và tính chống gỉ cao cộng với việc chưa ít nguyên tố Ni đã làm cho nhóm thép không gỉ song pha có tính kinh tế cao và là đối tượng nghiên cứu mạnh mẽ ở các nước tiên tiến Việc sử dụng thép không gỉ song pha trong môi trường xâm thực như công nghiêp hóa chất, dầu khí, giấy, nước biển rất phổ biến và đem lại hiệu quả kinh tế cao

III Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim và tạp chất.

1 Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim.

a) Ảnh hưởng của hàm lượng Cacbon.

Trong tất cả nguyên tố, cácbon là nguyên tố quan trọng nhất, quyết định chủ yếu đến tổ chức và tính chất của thép cácbon (và cả đối với thép hợp kim) Sự thay đổi hàm lượng cácbon ảnh hưởng đến cơ tính của thép gồm giới hạn bền, độ cứng,

độ giãn dài, độ thắt tỉ đối và độ dai va đập Khi hàm lượng cácbon trong thép tăng,

độ bền và độ cứng của thép tăng còn độ dẻo và độ dai va đập lại giảm Tuy nhiên,

độ bền của thép chỉ tăng lên và đạt tới giá trị cực đại khi hàm lượng của cácbon tăng lên tới khoảng giới hạn 0,8 tới 1,0%, vượt quá giới hạn này độ bền lại giảm đi

Cứ tăng 0,1% cácbon, trong thép độ cứng tăng thêm khoảng 20-25HB và giới hạn bền tăng thêm khoảng 60-80 MPa, nhưng độ giãn dài tương đối giảm đi khoảng 2-4%, độ thắt tỉ đối giảm đi 1-5% và độ dai va đập giảm đi khoảng 200 kJ/m

b) Ảnh hưởng của Mangan.

Magnan có ảnh hưởng tốt đến cơ tính, khi hòa tan vào ferit nó nâng cao độ bền

và độ cứng của pha này, do vậy làm tăng cơ tính của thép Mn còn có tác dụng làm giảm nhẹ tác hại của lưu huỳnh Mangan còn có tác dụng làm tăng độ thấm tôi, không tạo Cacbit riêng mà thay thế Fe trong xementit (Fe3C) tạo thành Cacbit trung bình Mn3C, Mn3C2 hoặc phức cacbit (Fe.Mn)C6 Mangan là nguyên tố đẩy

hạt tinh thể lớn nhanh khi nung, làm giảm độ dẻo và độ dai theo hướng vuông góc với phương cán Song lượng mangan cao nhất trong thép cacbon cũng chỉ nằm trong giới hạn 0,5 – 0,8% nên ảnh hưởng này không quan trọng

c) Ảnh hưởng của Crom

Crom là nguyên tố hợp kim cơ bản nhất trong thép không gỉ, nó không những làm tăng tính chống ăn mòn của hợp kim mà còn hình thành màng oxit sít chặt, làm cho hợp kim có tính chống oxy hóa rất cao, đồng thời làm tăng độ hòa tan của

C vào austenite

Nếu trong thép đồng thời cho vào Si và Al tạo thành hợp kim Fe-Cr-Al và Cr-Si thì sẽ phát huy được tốt hơn tác dụng chống oxy hóa của những nguyên tố này Thực nghiệm cho thấy hàm lượng Si từ 1.5 – 2% là hiệu quả nhất, lớn hơn hay nhỏ hơn đều sẽ không có tác dụng Còn đối với Al, trong 6% Cr chỉ cần cho vào 2% Al hầu như có thể hoàn toàn ngăn chặn được oxy hóa

d) Ảnh hưởng của Niken.

Niken là một trong những sự thay đổi thành phần pha, làm tăng độ linh động sai lệch và giảm năng lượng tương nguyên tố hợp kim chủ yếu trong thép, nó có khả năng chống oxy hóa rất cao Nếu có 4 – 8% Ni sẽ làm giảm đột ngột điểm mactenxit và tăng số lượng austenite dư qua tác của chúng sẽ làm tăng độ dẻo và

độ dai của thép Hàm lượng Niken tăng thì trong austenite sẽ hòa tan được nhiều nguyên tố tạo thành ferit như Crom, đồng thời, Niken làm giảm độ hòa tan của Ti,

Al, Mo và V trong mactenxit, tạo điều kiện thuận lợi để phân bố các phần tử pha giữa các kim loại được tách ra Trong khi vai trò của Niken không có ảnh hưởng trực tiếp lên sự phát triển của lớp “trơ” trên mặt, niken cải thiện đáng kể việc chịu được axit tấn công, đặc biệt là với H2SO4

e) Ảnh hưởng của Molipden.

Chất phụ gia Molibden thêm vào mác thép Fe-Cr-Ni sẽ tăng tính chống mòn lỗ chỗ cục bộ và chống mòn kẻ nứt tốt hơn (đặc biệt là với mác thép Ferit Fe-Cr )

Molibden giúp chống tác động thiệt clorua (dùng tại miền ven biển) Lượng Molibden càng cao (đôi khi có mác thép có 6% molibden), thì mức chịu clorua càng cao

2 Ảnh hưởng của tạp chất.

a) Ảnh hưởng của PhốtPho.

Là nguyên tố có khả năng hòa tan vào ferit (tới 1,20% ở hợp kim thuần Fe – C, còn trong thép giới hạn hòa tan này giảm đi mạnh) và làm xô lệch rất mạnh mạng tinh thể pha này làm tăng mạnh tính giòn; khi lượng phôtpho vượt quá giới hạn hòa tan nó sẽ tạo nên Fe3P cứng và giòn Do đó phôtpho là nguyên tố gây giòn nguội hay bở nguội (ở nhiệt độ thường) Chỉ cần có 0,10%P hòa tan, ferit đã trở nên giòn Song phôtpho là nguyên tố thiên tích (phân bố không đều) rất mạnh nên để tránh giòn lượng phôtpho trong thép phải ít hơn 0,050% (để nơi tập trung cao nhất lượng phôpho cũng không thể vượt quá 0,10% là giới hạn gây ra giòn)

b) Ảnh hưởng của Lưu huỳnh.

Khác với phôtpho, lưu huỳnh hoàn toàn không hòa tan trong Fe (cả Feα lẫn Feγ) mà tạo nên hợp chất FeS Cùng tinh (Fe + FeS) tạo thành ở nhiệt độ thấp (988oC), kết tinh sau cùng do đó nằm ở biên giới hạt; khi nung thép lên để cán, kéo (thường ở 1100 – 1200oC) biên giới bị chảy ra làm thép dễ bị đứt, gãy như là thép rất giòn Người ta gọi hiện tượng này là giòn nóng hay bở nóng Khi đưa mangan vào, do có ái lực với lưu huỳnh mạnh hơn sắt nên thay vì FeS sẽ tạo nên MnS Pha này kết tinh ở nhiệt độ cao 1620oC, dưới dạng các hạt nhỏ rời rạc và ở nhiệt độ cao

có tính dẻo nhất định nên không bị chảy hoặc đứt, gãy MnS cũng có lợi cho gia công cắt

c) Ảnh hưởng của Nitơ